본 연구는 산저항성을 가진 새로운 폴리비닐알콜계 투과증발막을 이용한 불화에탄올(TFEA)과 메타크릴산(MA)의 에스테르화 반응에 관한 연구이다. TFEA와 MA의 에스테르화 에스텔화반응에 사용된 폴리비닐알콜계 막은 PVA와 EGDE의 열 가교반응을 통하여 제조되었다. 에스텔화 반응의 반응조건 - 반응온도, 산 촉매의 양, 초기 몰비(불화에탄올/메탄크릴산)- 등을 달리하여 에스텔화 반응에 미치는 영향을 조사하였다. 실험 결과, TFEMA 전환율은 반응온도 촉매의 양, 초기몰비가 증가함에 따라 향상되었다. TFEMA 전환율이 90% 이상을 위한 경제적인 반응조건은 90℃ 수식 이미지의 반응온도, 2.5 wt%의 촉매 양, 그리고 1.7의 초기 반응 몰비였다.

이산화탄소에 대한 가소화 안정성 및 이산화탄소/질소의 분리특성이 탁월한 폴리이서술폰(PES)중공사 분리막에 의한 이산화탄소 분리특성을 수치해석으로 알아보고자 하였다. 공정변수에 따른 이산화탄소 분리 거동을 예측하기 위하여 공급 기체와 투과기체가 같은 방향으로 흐르는 병류 흐름에 대한 분리막 공정 지배 방정식을 5차 Runge-Kutta-Verner 방법을 사용하여 Compaq Visual Fortran 6.6 소프트웨어를 이용 공정모사 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램을 사용하여 수치해석을 수행한 결과, 이산화탄소 투과특성에 영향을 주는 가장 중요한 인자로서 공급 이산화탄소 분압, 투과측과 분리막 내부의 압력비 그리고 공급 기체가 분리막 내부에 머무르는 체류 시간임을 알 수 있었다.

산성비의 한 가지 원인으로 알려진 이산화황(SO2 수식 이미지)을 포함한 대기 오염물질인 연도 기체의 배출 허용 기준이 엄격해지고 있다. 배연 탈황 기술의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 분리막 접촉기의 개발에 필요한 기초 설계 자료를 제공하고자 평판형 분리막 접촉기 실험 장치를 설계 및 설치하여 이산화황 투과 특성 평가를 수행하였다. 평판형 분리막 접촉기를 이용한 이산화황의 제거에 미치는 흡수제 농도와 공급 기체 내의 이산화황 농도의 영향, 공급 기체 유량 및 분리막 재질에 따른 영향을 확인하고자 하였다. 흡수제 농도가 증가할수록 이산화황 제거 효율이 증가하였으며, 이산화황 농도가 증가할수록 제거 효율이 감소하였다. 또한 공급 기체 유량이 증가할수록 제거 효율이 감소하였으며 분리막 재질은 제거 효율에 큰 영향을 끼치지 않음을 확인할 수 있었다.

휘발성 유기화합물로서 3가 염소탄화수소인 트리클로로메탄, 트리클로로에탄, 트리클로로에틸렌을 MFI 구조인 소수성 제올라이트 ZSM-5 분리막으로 투과증발을 이용하여 물과의 이성분계 혼합물로부터 선택적으로 분리하고자 하였다. 직경 9.5 mm 다공성 스테인리스 스틸 튜브의 내부 표면에 수열합성법으로 ZSM-5 제올라이트 결정을 성장시켜 박막을 만들어 분리막으로 이용하였으며, 합성된 ZSM-5 제올라이트 분리막으로 공급되는 3가 염소화합물의 농도 및 실험 온도에 따른 분리 특성을 고찰하였다. 3가 염소화합물의 수용액상 농도를 0.0001 몰분율부터 0.001 몰분율로 변화하면서, 또한 실험 온도를 25에서 45℃로 바꾸면서 투과증발 실험을 수행한 결과 트리클로로메탄/물 이성분계에 대하여 약 16~66의 선택도를 얻었으며, 트리클로로에탄/물 이성분계에 대하여 3.3~4.6의 선택도와 트리클로로에틸렌/물 이성분계에 대하여 1.4~8의 선택도를 관찰할 수 있었다.

방향족 폴리아미드 역삼투 복합 박막에 트리알콕시알킬 실란 화합물을 안정적으로 정착시켜 내염소성이 향상된 복합막을 제조하는 방법에 관하여 조사하였다. 실란 화합물의 알킬 그룹의 탄소가 1개인 methyltriethoxysilane (METES)와 8개인 octyltriethoxysilane (OCTES) 표면 개질에 사용하였다. 긴 알킬 체인을 갖는 실란(OCTES)이 정착된 멤브레인의 경우, 일반 폴리아미드 역삼투막 또는 짧은 알킬 체인을 갖는 실란(METES)에 비해 개염소성이 크게 향상됨을 알 수 있었다. 본 연구에서는 표면 분석을 통하여 OCTES 코팅막과 METES또는 상용막과의 내염소성 차이를 설명하고자 하였다. EDX 원소 분석을 통하여 실란 화합물 둘 다 폴리아미드상에 안정적으로 고정되었음을 볼 수 있었으나 표면 조도나 접촉각 분석에서는 긴 알킬 체인을 가진 OCTES가 혐수성에 큰 영향을 주고 있음을 확인할 수 있었다.

본 연구는 투과증발법을 이용하여 수용액 중 미량의 감귤 향 성분을 농축하는 방법으로, 4종류의 실록산계 고분자 복합막을 이용하여 막 종류와 구조에 따른 투과 특성을 살펴보았다. 또한 최적의 막을 선정하여 공급액의 온도와 농도, 순환 유속에 따른 투과 특성을 살펴보고, 이를 resistance-in series model을 이용하여 해석하였다. 4종류의 실록산계 고분자 복합막을 통한 감귤 essence aroma 모델액의 투과 실험에서 지지층이 polyvinylidene fluoride (PVDF)이고 활성층이 polyoctylmethyl siloxane (POMS)인 막이 가장 높은 향 성분 플럭스와 농축계수 값을 나타내었으며, 공급액의 온도와 농도, 순환유속을 변화시키며 투과 실험을 하였다. 그 결과 공급액의 온도와 농도가 증가됨에 따라 향성분의 플럭스는 증가하고 농축계수 값은 감소하였으며 순환유속이 증가됨에 따라 향성분의 플럭스와 농축계수 값 모두 증가하였다.

[ α ]-알루미나 튜브 지지체의 내부에 1Si : 1Na : 4Na : 6H2O의 비율로 제조한 합성 용액을 사용하여 수열합성법으로 NaA 제올라이트 분리막을 제조하였다. 합성된 제올라이트 분리막을 이용하여 iso-propyl alcohol (IPA)/물 혼합물의 조성비와 조업 온도 변화에 따른 선택도와 투과도의 변화를 알아보기 위한 투과증발 실험을 수행하였다. 총투과도는 공급 측 IPA의 농도가 증가함에 따라 감소하였고, 온도가 상승함에 따라 증가하는 경향을 보였다. 총투과도는 60℃에서 공급물의 IPA농도가 0.6 몰분율일 때 4.0×103g/m2;hr로 가장 높은 값을 보였다. 선택도는 IPA의 몰비가 0.8까지 증가하는 경향을 보였고 0.9 이상에서 감소하는 경향을 나타내었다 선택도는 60℃, 0.8 몰분율에서 1.8×107의 값으로 최고치를 나타내었다. NaA 제올라이트 분리막을 이용한 투과증발은 기존의 증류공정과 비교 시 훨씬 우수한 선택적 물 분리 성능을 나타내었다.

본 연구는 연료전지에 적용 가능한 술폰화된 고분자 이온교환막 개발에 관한 것으로, perfluorocyclobutane ring(PFCB)을 함유한 4,4'-biphenylene perfluorocyclobutyl ether 고분자를 합성하여 이를 술폰화제인 chlorosulfonic acid (CSA)와 용매인 dichloromethane (DCC) 혼합용액을 사용하여 후술폰화시킴으로써 PFCB기를 함유한 술폰화된 biphenylene 고분자 막을 제조하였다. 술폰화된 고분자의 제조시 biphenylene perfluorocyclobutyl ether 고분자와 CSA의 몰비를 각각 1:1, 1:2, 1:3, 1:4로 변화시켜주어 다양한 술폰산기의 함량을 갖는 이온교환막을 제조할 수 있었다. 합성된 화합물과 고분자는 NMR과 GPC를 통해서 분석 및 확인하였고, 술폰화된 막을 이용하여 술폰산기의 함량 변화에 따른 술폰화도, 이온교환용량, 함수율, 이온전도도 등을 측정하였다. 측정 결과, 술폰화도가 증가함에 따라 이온전도도, 이온교환용량 및 함수율이 연속적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 polyamide계 방향족 역삼투막이 염소 라디칼에 의해 polyamide 결합이 분해되어 염배제율이 급격히 감소되는 반면 수투과도는 증가되는 것을 확인하였다 이러한 polyamide 역삼투막의 염소에 대한 저항성을 향상시키기 위해서 불소기 함유 실란커플링제(fluorine-containing silane coupling agent, FSCA)를 이용하여 역삼투막 표면 개질 후 막에 대한 표면 특성 및 내염소성 변화를 관찰하였다. 그 결과 FSCA의 농도가 증가될수록 막 표면이 dense하게 도포되었으며, 원소분석을 통해 FSCA가 부착되어 있음을 확인하였다. 또한 개질한 막 표면 조도는 감소되고 표면의 소수성이 증가됨을 접촉각의 증가로 확인 할 수 있었다. 이 결과를 종합하여 볼 때, 역삼투막을 FSCA로 표면개질 함으로써 개질막의 염소에 대한 저항성을 향상시킬 수 있었다.

본 연구는 에스텔화 막반응공정에 의한 2,2,2-trifluoroethyl metacrylate (TFEMA)의 생산을 위한 선행연구로, 가교된 poly(vinyl alcohol)막을 이용하여 TFEA (2,2,2-trifluoroethanol)/water과 MA (methacrylic acid)/water 혼합용액을 대상으로 투과증발특성을 연구하였다. 산 저항성을 가진 가교된 PVA막은 PVA와 EGDE를 같이 녹인 수용액을 Teflon plate 위에 캐스팅한 후 140℃에서 열 가교시킴으로써 제조하였다. 제조된 막의 특성을 알아보기 위해 FT-IR과 팽윤도 측정을 실시하였다. TFEA/water 혼합용액에 대한 투과증발실험은 가교제인 EGDE농도와 운전온도를 변화시켜가면서 실시하였으며, MA/water 혼합용액에 대한 투과증발실험은 최적화된 PVA막을 가지고 실시하였다. 투과증발실험결과로부터 제조된 막은 TFEA와 MA의 에스테르화 반응온도인 80℃ 이상에서 96%의 TFEA 및 MA 수용액에 대해 각각 100, 900 이상의 매우 높은 물에 대한 선택도와 0.1, 0.3;kg/m2h의 투과도를 얻을 수 있었다.

Trifluoroethyl methacrylate (TFEMA)는 발수발유용 특수도료나 광섬유의 외관에 중요하게 쓰여지는 코팅제에 쓰여지는 산업적으로 중요한 단량체로, 주로 산촉매 하에 trifluoro ethanol (TFEA)와 methacrylic acid (MA)의 에스테르화 반응에 의해 제조된다. 이러한 TFEMA의 제조에 투과증발막의 적용가능성을 알아보기 위한 선행연구로서, 상용화된 폴리비닐알콜계 투과증발막(GFT Membrane Pervap^circledR1005)을 대상으로 반응물의 하나인 trifluoroethanol (TFEA)을 대상으로 온도와 농도의 변화에 따른 투과증발실험을 실시하였다. 투과증발실험 결과 TFEA 농도가 90에서 99 wt%로 높아질수록 투과용액 내의 물의 감소에 기인한 전체투과량은 감소하였다. TFEA/물 선택도는 95 wt% TFEA 농도까지는 높아지는 경향을 보였지만 97 wt%부터 감소하여 99 wt%에서는 급격히 감소하였다. 운전온도가 상승함에 따라 투과도의 증가와 더불어, 선택도도 증가하는 경향을 보였다. 적용된 TFEA 농도와 운전온도의 범위에서 GFT막은 물에 대한 우수한 투과도와 선택성을 보였다. 이러한 TFEA/물 혼합용액에 대한 높은 탈수성능은 GFT 투과증발막이 TFEMA의 에스테르화 막반응기에 적용될 수 있음을 확인시켜 주었다.

본 연구에서는 유기질막에 비해 안정성이 우수하고 사용수명이 긴 세라믹 막을 이용하여 혐기성 Lactobacillus 균주의 농축에 관해서 연구하였다. Cell harvesting (CH)에 영향을 주는 인자로 막투과 압력, 온도, 선속도 등에 대해 조사하였으며 세라믹 막을 이용하여 농축율 변화에 따른 플럭스와 TMP (transmembrane pressure)의 변화, 일정 VCF(volumetric concentration factor)에서 TMP변화 등의 최적조건에 관해 알아보았다. 그 결과 플럭스는 TMP, 선속도, VCF가 증가함에 따라 투과수량도 증가함을 알 수 있었다. 온도가 증가할수록 점도에 의해 초기 플럭스도 증가하지만 시간이 경과함에 따라 막 표면의 겔층의 형성으로 온도의 영향은 미미하였다. 또한 농축비 이하의 일정한 VCF에서 운전할 경우 플럭스가 안정적임을 알 수 있었다. 선속도 5 m/s, 공급액의 온도 37^℃, TMP 1 bar에서 6∼8 h 운전할 경우 PS 406 원액의 생균수는 4.9×10^9으로 약 8배 농축됨을 알 수 있었다.

본 연구는 에스텔화 막반응공정에 의한 2,2,2-trifluoroethyl metacrylate (TFEMA)의 생산을 위한 선행연구로, 가교된 poly(vinyl alcohol) 복합막을 이용하여 TFEA (2,2,2-trifluoroethanol)/water 혼합용액을 대상으로 투과증발 특성을 연구하였다 복합막은 다공성 polyethersulfone (PES) 지지체 위에 PVA와 glutaraldehyde (GA)를 같이 녹인 수용액을 코팅한 후 산 촉매 하에서 열가교시킴으로써 제조하였다. SEM (scanning electron microscopy)을 통하여 선택층의 두께는 2-3 μm로 확인되었고, 제조한 PVA 코팅층의 수평윤도는 가교제의 농도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 투과증발 실험결과 가교제의 농도가 증가할수록, 투과도는 감소하고 TFEA/water의 선택도는 증가하는 경향을 보였다. 그리고 85-95wt%의 TFEA 혼합용액의 전범위에서 운전온도가 증가할수록 투과도는 증가하였지만, 선택도는 90 wt% TFEA 농도 이하에서는 감소하는 경향을 보인 반면, 95 wt%에서는 증가하는 흥미로운 경향을 보였다. 0.1 moi GA로 가교된 PVA 복합막은 운전온도 80℃, 90 wt% TFEA 농도에서 1.5 kg/m2hr의 매우 높은 투과도와 320의 선택도를 보였으며, 따라서 TFEA의 에스텔화 막반응공정에 적용 가능성을 보여주었다.

폴리아미드계 역삼투 분리막의 투과성능을 비교하기 위하여 NaCl과 NaOCl을 함유하는 혼합용액을 공급수로 사용하여 연속운전과 단속운전 하에서 실험하여 보았다. 이 결과를 가지고 막 이동 모델의 선택적 적용이 가능함을 제시하고자 하였으며 투과 성능 분석 결과, 용액 확산 모델과 선흡착-모세관이동 모델이 운전 모드에 따라 상대적으로 유용함을 볼수 있었다. 연속 운전에서는 선흡착-모세관이동 모델을, 단속 운전에서는 용액 확산 모델을 따름을 알 수 있었다 NaOCl에 의한 표면 변화를 SEM 사진을 통하여 확인 할 수 있었다. 연속운전 후의 막은 염소 투과 결과 표면에서 부분적인 ridge and valley 구조가 나타났으며 단속 운전 후의 막은 표면 전반에서 변성이 일어난 것을 볼 수 있었다.

투과 증발은 막을 근거로 한 에너지 절약형 분리공정으로서 전통적인 증류 분리공정과 비교하여 높은 선택도를 나타내기 때문에 액상 혼합물 분리에 대체 공정으로서 주목받고 있다. 투과 증발에 이용되는 분리막으로서 제올라이트 분리막은 고분자 분리막보다 열적, 기계적, 화학적 안정성이 우수하며 특히 silicalite-1 분리막은 큰 소수성을 나타내기 때문에 유기화합물을 수용액으로부터 효과적으로 분리할 수 있다. 본 연구에서는 silicalite-1 분리막을 이용한 투과 증발 실험을 통하여 케톤계 휘발성 유기화합물을 분리하였다. 아세톤과 MEK의 공급 농도가 증가함에 따라 아세톤과 MEK의 투과 플럭스는 증가하였으며 선택도는 감소함을 관찰할 수 있었다.

분리막을 이용한 정수처리 공정의 최적화를 위하여 유기물 성분인 humic acid와 탁도를 유발하는 kaolin을 모사 용액으로 제조하여 막내 비저항 값을 최소화하면서 flux의 안정된 경향을 나타내는 최적의 운전 조건을 검토하여 보았다. 그 결과 압력이 증가함에 따라 낮은 비저항값에서 효율적인 분리막을 운전할 수 있으며 선속도가 증가함에 따라 높은 전단율에 의해 cake load는 줄어들었으며 이에따라 비저항값과 flux는 증가하는 경향을 나타내었다. 따라서 최적의 운전조건은 압력 2.0 kgf/cm2, 선속도 0.92 m/sec으로 알 수 있었다.

건/습식 상전환법을 이용하여 비대칭 polyethersulfone (PES) 기체분리막을 제조하였으며, CO2, N2등의 기체에 대한 투과특성을 조사하였다. 분리막 제조에 있어서 주요 변수인 캐스팅 용액과 증발시간 등이 분리막의 구조에 미치는 영향을 파악하고 투과특성을 조사하여 최적의 제조조건을 확립하였다. 또한 제조된 분리막의 표피층에 존재하는 pin-hole과 같은 결점을 보완하기 위하여 실리콘 수지를 코팅하여 그 투과특성의 변화를 조사하였다. 실리콘 수지 코팅이 결점을 보완하는데 효과적임을 확인하였다. 본 연구에서 분리막 제조에 주로 사용한 캐스팅 용액은 PES, 14-methyl-2-pyrrolidone, 아세톤, 에탄올로 구성되었으며, 응고제로는 증류수를 사용하였다. 캐스팅 용액 중의 PES 함량이 높아질수록, 휘발성 유기용매의 비율이 높아질수록, 증발시간이 길수록, 에탄을 첨가제의 농도가 낮을수록 CO2/N2의 선택도는 높아지고 투과도는 낮아지는 결과를 보였다. 최적의 분리막 제조조건 하에서 얻어진 분리막의 분리성능은 CO2/N2의 선택도가 61이고 CO2의 투과도는 21 GPU인 우수한 결과를 보였다.

본 연구는 정수처리 공정에서 예상되는 오염물질에 대한 막의 투과성능과 오염현상을 알아보기 위하여 막의 깊이와 운전압력에 따른 압밀화 현상을 검토하였다. 막의 길이와 운전압력이 증가함에 따라 압밀화 현상도 증가하였다. MF막을 오염물질에서 고압(2.0 kg/cm2)과 저압(0.5 kg/cm2)으로 운전할 때, 고압 운전이 막힘현상(clogging)을 가속화 시켜 플럭스를 급격히 감소시키므로 저압 운전이 효과적이다. MF막을 Out-In방식으로 운전하였을 때, 막의 길이와 운전 압력에 관계없이 일정 시간 운전 후 비슷한 플럭스가 나타났다. 미생물 물질에 대한 막오염 현상을 파악하기 위해 중공사막을 강제 오염시킨 후 화학세정을 실시하였다. Biofouling된 막을 화학세정 하였을 때 산화능력이 우수한 H2O2와 NaOCl이 NaOH에 비해 살균능력과 탈착능력이 우수하다는 것을 알 수 있었다.

다공성 실리카 막을 졸겔법에 의해서 Si(OC2H5)4-H2O 로부터 제조하고, 막의 특성을 TG-DTA, XRD, IR, BET, SEN, TEM을 사용하여 조사하였다. 다공성 실리카 막 제조를 위한 Si(OC2H5)4 : H2O4 : H2O : C2H5OH의 최적 몰비는 1 : 4.5 : 4 이었다. 100℃~1100℃~에서 열처리된 막의 비표면적은 3.8 m2/g~902.3m2/g 이었으며, 기공크기는 20Å~50Å이었다. 300℃~~700℃~범위에서 열처리된 막의 입자크기는 15nm~30nm이며, 열처리 온도가 증가하면 입자의 크기도 증가하였다. 이렇게 제조한 다공성 실리카 막으로 H2/N2 혼합기체를 분리하는데 응용하였으며, 다공성 실리카 막에 의한 H2/N2혼합기체분리는 Knudsen flow와 surface flow에 의해서 일어나며 주로 surface flow에 의존하였다. 다공성 실리카 막의 H2/N2 혼합기체에 대한 real separation factor(alpha)는 155.15 cmHg(DeltaP)와 25℃에서 5.17이었으며, real separation factor(alpha), head separation factor (β), tail separation factorbarB)는 압력이 증가하면 증가하였다.

분리막 접촉기를 통한 이산화탄소의 흡수거동 예측을 위한 공정모사를 위해 시스템의 흡수제로 탄산칼륨 수용액을 선정하였고, 시스템에서의 이산화탄소와 관련된 가역반응을 고려하였으며, 사용된 반응속도상수, 평형상수, 용해도 그리고 확산계수는 탄산이온의 농도와 온도의 함수로 사용하였다. 또한 분리막 접촉기 공정모사를 위한 조작 조건으로 중공사막의 기공상태는 비젖음성 조건을 선택하였으며, 이러한 조작조건하에서 이산화탄소 분리거동을 다양한 공정변수 즉, 흡수제의 농도와 유속, 혼합기체의 압력변화에 대해 고찰하였다. 흡수제의 농도가 증가함에 따라 촉진수송에 의한 이산화탄소의 흡수거동을 확인할 수 있었고, 흡수제의 유속 증가에 따라 이산화탄소의 흡수속도가 점차 증가함을 확인할 수 있었으며, 분리막 접촉기에서 혼합기체의 압력변화가 흡수속도에 미치는 영향 및 흡수제의 재사용에 따른 흡수속도를 확인할 수 있었다. 이러한 공정모사를 통해 분리막 접촉기의 구성 및 조작에 필요한 각각의 인자들이 흡수속도에 미치는 영향과 예측, 이를 통한 적절한 조작조건의 도출 가능성을 확인할 수 있었다